Лабраб / 2 / Методички / 0D0044F9d01

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Московский государственный институт электроники и математики

(Технический университет)

Кафедра электроники и электротехники

Изучение статических и динамических характеристик логических интегральных транзисторно-транзисторных схем.

Методические указания к лабораторной работе

МОСКВА 1999

1. Цели работы:

Целями лабораторной работы являются:

Изучение особенностей режимов работы и параметров интегральных ТТЛ-схем;

Исследование передаточных характеристик ТТЛ-схем;

Исследование переходных характеристик схем, характеризующих быстродействие схемы;

Приобретение навыков работы с интегральными схемами;

Приобретение навыков расчета схем с помощью программы схемотехнического анализа РSPICE.

В данной работе исследуется полупроводниковая интегральная микросхема 155 серии

(155 ЛАЗ).

Лабораторная работа выполняется на лабораторном стенде УМ -16 с использованием осциллографа OI -55, вольтметров универсальных В7-26, миллиамперметра.

Интегральными схемами транзисторно - транзисторной логики называются логические схемы, во входной цепи которой используются многоэмиттерные транзисторы. На их основе были разработаны ТТЛ схемы со сложным инвертором. Использование сложного инвертора в ТТЛ схемах позволяет увеличить коэффициент разветвления по выходу, повысить помехоустойчивость, снизить стоимость схем.

2. Краткие теоретические сведения.

Рассмотрим работу элемента ТТЛ со сложным инвертором, принципиальная схема которого представлена на рис. 1. Пусть на один вход подается напряжение, изменяющееся от 0 до уровня логической единицы, на остальные входы поданы постоянные логические единицы. При Uвх=0 ток коллектора МЭТ равен нулю, поэтому потенциалы на базах транзисторов T2 и T4 и эти транзисторы закрыты. Потенциал базы транзистора T3 высок и поэтому транзистор T3 открыт, на выходе схемы - высокий уровень напряжения, соответствующий логической единице.

С ростом входного напряжения схемы Uвх не меняется до тех пор, пока не начнет открываться транзистор T2. Тогда появляется ток коллектора T2 и потенциал коллектора T2 изменяется на величину ∆Uк2=B2Iб2R2, это изменение через эмиттерный повторитель передается на выход схемы. Когда входное напряжение превысит сумму порогов открывания транзисторов T2 и T4, ток базы T2 резко возрастает, потенциал коллектора T2 резко уменьшается и выходное напряжение падает. При выходном напряжении, превышающем напряжение на эмиттерных переходах транзисторов T2 и T4 в режиме насыщения (около 1,2 - 1,4 В ), транзистор T3 закрывается и выходное напряжение становится равным напряжению насыщения Uкэнас транзистора T4.

Рис. 1.

Основные характеристики схемы ТТЛ со сложным инвертором приведены на рис. 2. На первом участке передаточной характеристики, при U 4вх 0<U 4бо2 0, выходное

напряжение равно напряжению логической единицы: Uвых=U1=E-Uбо3-Uдо

где: Uбо - порог открывания транзистора, Uдо - напряжение на открытом диоде.

На втором участке передаточной характеристики, при Uбо2<Uвх<Uбо2+Uбо4, выходное напряжение уменьшается на величину:

∆Uвых=-(R2/R4)∆Uвх,

где: ∆Uвх=Uвх-Uкн1-Uбо3, Uкн1- напряжение на коллекторе насыщенного транзистора T1. Для третьего участка ( при Uбо2+ Uбо4<Uвх<Uвх+Uбн)

∆Uвых=-R2(R4+rвх)/( R4 rвх) ∆Uвх,

где: rвх - входное сопротивление транзистора T4.

Уровень логического нуля на четвертом участке передаточной характеристики ( при Uвх>Uбн2+Uбн4) определяется:

∆Uвых =U0=Uбк4.

Входная характеристика схемы Iвх=f(Uвх) имеет три участка (рис. 2,б). При 0<Uвх<Uбо2+Uбо4 входной ток вытекает из схемы и его абсолютная величина равна:

Iвх=(E-Uбн1-Uвх)/R1,

При Uвх>Uбо2+Uбо4 ток, текущий через сопротивление R1, разветвляется: часть продолжает вытекать из схемы, а другая часть течет в базу транзистора T2. На третьем участке входной характеристики ток втекает в схему и определяется током обратносмещенного эмиттерного p-n - перехода:

Iвх=(E-Uбн1- Uбн2- Uбн4)βi1/R1.

Важной характеристикой схемы является зависимость тока источника питания от входного напряжения (Iпит=f(Uвх)), показанная на рис. 2в. Токи, потребляемые в режимах логического нуля и логической единицы значительно меньше, чем при переключении. Если хо-

тя бы на одном входе Uвх=U0, то:

Iпит =(E-Uбн1- Uвх)/ R1,

если на всех входах Uвх=U0 то:

Iпит =(E- Uбн2- Uбн4- Uбн1)/ R1+(E- Uкн2- Uбн4)/R2.

При переходе из состояния логического нуля в логическую единицу и наоборот ток

источника питания резко возрастает и его максимальная величина равна: Iпитmax=(E-Uбэ2-Uбэ4-Uкб1)/ R1+(E-Uкэ2-Uбэ4)/ R2+(E-Uкэ3-Uдо-Uкэ4)/R3.

В состояниях логического нуля и логической единицы потребляемая мощность равна,

соответственно: Pп1=EIпит1, Pп0=EIпит0.

Задержка выключения схемы определяется временем рассасывания носителей заряда в транзисторах T2 и T4 и величиной емкости нагрузки Cн. Задержка включения определяется фронтом транзистора T3 и емкостью Cн.

Uвых

I

II

III

IV

Uвх

II

I

o

Iвх

Uвх

в) Рис.2 а) - передаточная характеристика;

б) - входная характеристика; в) - зависимость тока потребления от входного напряжения;

3. Описание стенда.

Работа выполняется на универсальном стенде в лаборатории электроники кафедры Э и Э. Исследуемые цепи собираются на основе одного из блоков стенда (рис. 3) и внешних измерительных приборов: вольтметров, амперметров.

Рис. 3. Блок стенда, на котором выполняется работа.

4. Рабочее задание.

Исследование передаточной характеристики Uвых=f(Uвх) производится по схеме, изображенной на рис. 4.

Измеряются величины входного напряжения на входе микросхемы и на выходе схемы. Передаточная характеристика снимается при различных коэффициентах разветвления N1=1 и N2=3 результаты измерения заносятся в таблицу :

N1=1 Uвх

Uвых

N2=3 Uвх

Uвых

Исследуемая микросхема Нагрузка

Изменяется величина тока и напряжения на одном из выходов микросхемы. Второй вход микросхемы подключен к источнику напряжения, формирующему потенциал U1=2,4 В. К выходку исследуемой микросхемы подключается микросхема нагрузки. Входная характеристика снимается для каждого входа микросхемы отдельно и результаты измерения заносятся в таблицу 2.

По данным таблицы 2 построить зависимость Iвх = f (Uвх) на миллиметровке.

3. Измерение статистической потребляемой мощности от источника питания производится по схеме, изображенной на рис.5.

Для измерения потребляемой мощности микросхемой миллиамперметр включается последовательно между источником питания и разъемом, на который подается напряжение питания. Измеряется величины тока питания и напряжения питания при изменении

Генератор & & импульсов

U1

Снагр &

C1-55

&

Y1 Y2

Сигнал от генератора импульсов поступает на один из входов исследуемой микросхемы ,а на второй вход подаётся напряжение U1=2,4B.Сигнал с выхода исследуемой микросхемы подаётся на нагрузочную ёмкость Снагр .С помощью осциллографа С1-55 наблюдается сигнал на выходе исследуемой схемы. Времена переключения t0,1 и t1,0 измеряются при различных Снагр и результаты измерения заносятся в таблицу 4.

Таблица 4.

Cнагр1= Снагр2= Снагр3=

t0,1

t1,0

Требования к отчету по выполняемой работе.

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

-цель лабораторной работы;

-схемы измерений характеристик схемы;

-таблицы экспериментальных данных и графики;

-русунки с экрана осциллографа входных и выходных сигналов схемы;

-описание схемы на входном языке программы PSPICE;

-распечатки графиков передаточной и переходной характеристик, рассчитанных с помощью программы PSPICE;

-величины фронтов переключения схемы по результатам расчетов.

5. Контрольные вопросы.

1.Принцип работы ТТЛ схемы.

2.Вывод передаточной характеристики ТТЛ схемы.

3.Как зависит потребляемый схемой ток от входного напряжения?

4.Чем определяется длительность переходных процессов в ТТЛ - схемах?

6. Рекомендуемая литература.

1.Алексенко А.Г., Шагурин И.И., Микросхемотехника, М., Радио и связь, 1982.

2.Якубовский С.В., Барканов М.А., Аналоговые и цифровые интегральные схемы, 2-е издание, М., Радио и связь, 1984.

3.Тарабрин В.В., Лукин Л.Ф., Интегральные микросхемы: Справочник, М., Радио и связь, 1983.

4.Разевиг В.Д. Применение программ PCAD и PSPICE для схемотехнического моделирования на ПЭВМ.

Составили:

доц., к.т.н. Рябов Н.И.

доц., к.т.н. Харитонов И.А.

Утвердил зав. кафедрой Э и Э проф., д.т.н. Петросянц К.О.